Проектирование автомобильных дорог Часть 1

Рис. 14.20. Схема образования тре­ Рис. 14.21. Графическое построение щины в верхней части оползающего для нахождения центров поверхно­

эффициент устойчивости

Отсюда формуле может быть придан вид

1=п

2Qyigi + RcL

2 Qx

1=1

В формуле (14:25) L = 2 / — длина поверхности скольжения, при определении которой учитывают, что обрушение откосов обычно начинается с образования в верхней части откоса трещины. Эту трещину следует учитывать при выделении отсеков и определении длины поверхности скольжения (рис. 14.20), принимая ее глубину, равной (по Терцаги)

2с tg (45° + т /2 )

(14.26)

ь

Вес отсеков, расположенных слева от вертикали, проходящей через центр поверхности скольжения, повышает значения коэффи­ циента устойчивости. На этом основывается положительный эффект устройства пригружающих контрфорсов у подошвы склонов, под­ верженных оползанию.

Степень надежности проверки устойчивости откосов зависит от того, насколько точно соответствует поверхность обрушения, для которой было определено минимальное значение коэффициента ус­ тойчивости, фактической наиболее опасной поверхности.

Для установления центра наиболее опасных кривых скольжения на основе большого опыта поверочных расчетов был предложен ряд

эмпирических методов. Однако степень точности этих расчетов проверена в недостаточной степени и ни одному из них нельзя от­ дать явного предпочтения, тем более что получаемые результаты близки друг к другу.

Наибольшим распространением в практике дорожных органи­ заций пользуется метод Терцаги — Феллениуса, в котором принято, что центры кривых скольжения, соответствующих наименьшему ко­ эффициенту устойчивости, располагаются вблизи от прямой линии АВ. Эту линию находят при помощи построения, показанного на рис. 14.21. Значения углов а и р , необходимые для построения ли­ нии АВ, в зависимости от угла наклона откоса си приведены в табл. 14.2. При ломаных откосах или при откосах с расположенны­ ми посередине бермами исходят из угла наклона спрямленного среднего откоса.

Чтобы найти положение наиболее опасной кривой скольжения откоса (см. рис. 14.21), вначале намечают несколько возможных положений кривых скольжения. Например, может быть намечено семейство кривых, проходящих через подошву откоса и выходящих на поверхность насыпи в 0,25 и 0,75 ее ширины поверху от бровки насыпи. Центр каждой кривой располагается в пересечении перпен­ дикуляра, восстановленного из середины хорды, стягивающей кон­ цы намеченной кривой скольжения, с прямой Феллениуса. Для каждой кривой определяют коэффициент устойчивости. Для нахож­ дения центра наиболее опасной кривой скольжения, используя ли­ нию АВ как ось абсцисс, строят вспомогательный график коэффи­ циентов устойчивости, откладывая их значения из центра кривых скольжения. Соединяя полученные точки плавной кривой, находят минимальное значение коэффициента устойчивости АГут1п.

Метод круглоцилиндрических поверхностей не дает возможности сразу запроектировать откос с заданным заранее коэффициентом устойчивости. Лишь постепенно изменяя поперечный профиль на­ сыпи или выемки, можно путем последовательных попыток прибли­ зиться к желаемому коэффициенту устойчивости. В настоящее вре­ мя разработаны программы для электронно-вычислительных ма­ шин, которые, выполняя расчеты для большого числа центров кри-

292

Рис. 14.22. Схема классификации грунтовых откосов по Н. Н. Маслову:

1 — кривая депрессии; 2 — просачивание воды; 3 — выклинивание источников

вых скольжения, позволяют более обоснованно найти минимальное значение коэффициента устойчивости.

Устойчивость откосов насыпей и выемок и оползневых склонов меняется в течение года. Наименьшее значение коэффициента ус­ тойчивости соответствует осени и весне, когда переувлажнение грун­ та становится основной причиной возникающих обрушений откосов и подвижек оползней.

Вода, проникающая в земляное полотно во время дождливых периодов, снеготаяния и половодья, снижает коэффициент устой­ чивости, так как увеличивается вес поверхностных слоев грунта, ув­ лажненных дождевыми осадками; уменьшается коэффициент сцеп­ ления водонасыщенного грунта; в нижней части насыпи, пропитан­ ной паводковыми водами, проявляется взвешивающее действие во­ ды; в пойменных насыпях в результате просачивания воды, насы­ щающей грунт, возникает гидродинамическое давление D в сторо­ ну откоса при спаде высокой воды.

В зависимости от гидрогеологических условий и наличия вы­ клинивающихся водоносных горизонтов проф. Н. Н. Маслов делит все склоны на шесть групп (рис. 14.22, а—е) : безводные, затоплен­ ные, несущие грунтовые потоки, дренируемые водотоками, под­ верженные инфильтрации, несущие расчлененные грунтовые по­ токи.

При расчетах устойчивости откосов, из которых выклиниваются водоносные горизонты, учитывают наличие гидродинамического дав­ ления, снижающего коэффициент устойчивости на 5—10% и более. Гидродинамическое давление принимают равным произведению гид­ равлического градиента (отношение потери напора к длине пути фильтрации) на объем грунта, на который оно действует.

293

показанного на рис. 14.23. Для упрощения расчетов К- С. Ордуянц предложил принимать выделяемые отсеки как бы затвердевшими и считать силы гидродинамического давления действующими по поверхности скольжения, а также рассматривать не отдельные блоки, а сразу весь насыщенный водой массив грунта. Сделанные допущения направлены в запас надежности. В этом случае фор­ мула для определения коэффициента устойчивости пойменных на­ сыпей имеет вид

„ci^i+c^a-MgySAT

границу между сухим н водонасыщенным грунтами принимают по уровню пол­ ной влагоемкости грунта; капиллярно увлажненная часть насыпи считается су­ хой; ф — угол внутреннего трения, обычно принимаемый одинаковым для сухого и водонасыщенного грунтов; 2 N — сум^а удерживающих сил; 2 Г — сумма сдви­ гающих сил; D =co/ — гидродинамическое давление просачивающейся воды на насыщенную водой часть выделенного отсека, площадь которой равна со. Точка приложения гидродинамического давления расположена в центре тяжести за­ штрихованной части отсека; / — гидравлический градиент, принимаемый равным

Влияние подтопления пойменных насыпей проявляется по-раз­ ному в зависимости от типа грунта. Для песчаных насыпей, грунт которых обладает высоким коэффициентом фильтрации, следует учитывать только взвешивающее действие воды, так как уровень воды в насыпи следует за изменением уровня воды на пойме. Гли­

294

нистые пойменные насыпи, обладая малой водопроницаемостью, за период паводка не усревают полностью увлажниться, поэтому их рассчитывают, как обычные сухие насыпи. При расчете насы­ пей, отсыпанных из суглинистых и супесчаных грунтов, необходи­ мо учитывать влияние всех указанных факторов.

Глава 15

КОНСТРУИРОВАНИЕ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД

15.1. Конструктивные слои дорожной одежды

Для обеспечения круглогодичного движения автомобилей на проезжей части дороги устраивают дорожную одежду, которая представляет собой уложенную на поверхность земляного полотна твердую монолитную конструкцию из материалов, хорошо сопро­ тивляющихся воздействию климатических факторов и колес транс­ портных средств.

Напряжения, возникающие в дорожной одежде при проезде ав­ томобилей, затухают с глубиной (рис. 15.1). Это позволяет проек­ тировать дорожную одежду многослойной, используя в отдельных ее слоях материалы различной прочности в соответствии с дейст­ вующими усилиями и интенсивностью влияния природных факто­ ров.

В дорожной одежде различают следующие слои (рис. 15.2):

Рис. 15.1. Напряжения от колес автомобилей в многослойной дорожной одежде:

295

покрытие — верхний, наиболее прочный, обычно водонепроница­ емый, относительно тонкий слой одежды, хорошо сопротивляю­ щийся истирающим, ударным и сдвигающим нагрузкам от колес, а также воздействию природных факторов. Поскольку покрытие устраивают из наиболее дорого­ стоящих материалов, ему прида­ ют минимальную допустимую толщину. Покрытие обеспечивает необходимые эксплуатационные качества дороги (ровность по­ верхности, высокий коэффициент сцепления с шиной). В конструк­ ции покрытия, помимо основного слоя, обеспечивающего необходи­ мые качества, предусматривается

запасной слой (слой износа), не входящий в расчетную толщину и подлежащий периодическому восстановлению в процессе эксп­ луатации дороги. Поверх покрытий, не обладающих достаточной водонепроницаемостью и сопротивлением истиранию, устраивают тонкие защитные слои (слои поверхностной обработки) путем розлива органических вяжущих материалов с засыпкой одномер­ ным мелким щебнем. Поверхностную обработку применяют также для повышения шероховатости гладких покрытий в процессе эксплуатации;

основание — несущая прочная часть одежды, устраиваемая из каменных материалов или грунта, обработанного вяжущими мате­ риалами. Оно предназначено для передачи и распределения давле­ ния на расположенные ниже дополнительные слои одежды или на грунт земляного полотна (подстилающий грунт) и потому должно быть монолитным, устойчивым против сдвига и изгиба. Основание не подвергается непосредственному воздействию колес автомоби­ лей, а влияние погодных факторов передается на него в несколько смягченном виде. Поэтому для его устройства можно использовать

В последнем случае верхние слои основания устраивают из более прочных материалов. Изолированное при устройстве усовершенст­ вованных покрытий от воздействия поверхностной влаги основание может увлажняться в результате перемещения влаги снизу вверх из земляного полотна в период зимнего промерзания. Поэтому в

296

северных районах страны к материалам для устройства основания: предъявляются требования в отношении морозоустойчивости;

дополнительные слои основания из материалов, устойчивых при: увлажнении, укладывают между основанием покрытия и подсти­ лающим грунтом земляного полотна на участках с неблагоприят­ ными климатическими и грунтово-гидрологическими условиями. В местах, где земляное полотно сложено из пылеватых, суглини­ стых и глинистых грунтов, в которых могут развиваться процессы зимнего влагонакопления и пучения, вводят дополнительный слой из пористых материалов (песка, гравия или щебня), который на­ зывают дренирующим, противопучинным или морозозащитным. Та­ кой слой предназначен для отвода избыточной воды из верхних, слоев земляного полотна, осушения дорожной одежды, предотвра­ щения значительного вспучивания покрытия и повышения проч­ ности грунта земляного полотна;

грунт земляного полотна (подстилающий грунт, «рабочий слой» земляного полотна) — тщательно уплотненные и спланированные верхние слои земляного полотна, на которые укладывают слои до­ рожной одежды. На подстилающий грунт передается все давление от транспортных нагрузок, поэтому он является весьма ответствен­ ным элементом конструкции дорожной одежды. Прочность дорож­ ной одежды может быть обеспечена лишь на однородном, хорошо уплотненном, не подверженном пучению земляном полотне при обеспеченном водоотводе. Повышение сопротивления грунта зем­ ляного полотна внешним нагрузкам, его осушение и постоянство водного режима являются наиболее надежными способами увели­ чения прочности дорожной одежды и снижения ее стоимости. Ни­ какое увеличение толщины слоев каменных материалов ше может обеспечить прочность и ровность дорожной одежды, укладываемой на слабом недоуплотненном или переувлажненном грунтовом ос­ новании.

15.2. Основные типы дорожных одежд

Эксплуатационные качества дорожных одежд — допускаемая скорость и удобство движения — определяются в основном покры­ тиями, которые могут быть разделены на следующие основные кон­ структивные типы.

Асфальтобетонные покрытия — наиболее совершенный тип до­ рожных покрытий. Их устраивают в один или два слоя на прочном основании. Распространенные еще несколько лет назад многослой­ ные асфальтобетонные покрытия больше не строят.

Асфальтобетон представляет собой искусственный строительный материал, который получается при уплотнении в горячем состоянии смеси, состоящей из подобранного по крупности малопористого каменного остова — щебня или гравия и песка, связанных между собой смесью тонкого минерального порошка с битумом, вводимым

29г

Рис. 15.3. Схема расположения швов бетонного покрытия:

1 — шов расширения; 2 — шов сжатия; 3 — продольный шов; 4 —■штыри

.в зависимости от состава асфальтобетонной смеси в количестве от 3,5 до 9%. Различают асфальтобетоны крупнозернистые (фракции

.щебня до 40 мм), мелкозернистые (до 20 мм) и песчаные (из час­ тиц не крупнее 5 мм). Особенностью асфальтобетонов является за­ висимость их свойств от температуры.

Асфальтобетон образует ровную, удобную для движения по­ верхность, смягчающую удары колес. Если для его приготовления применяют щебень твердых неполирующихся горных пород, он при износе сохраняет высокое значение коэффициента сцепления. Со­ ответствующим подбором состава каменного остова можно полу­ чить материал, образующий дорожное покрытие повышенной ше­ роховатости.

Цементобетонные покрытия обладают большой монолитностью и высоким сопротивлением нагрузкам. Их строят в виде отдельных плит размерами в плане 3-^4 на 6-т-7 м при толщине от 18 до 24 см. Плиты отделяются друг от друга швами, необходимыми для компенсации изменений их длины при колебаниях температуры (рис. 15.3). Различают швы расширения, сокращающиеся при уд­ линении плит, и швы сжатия, расширяющиеся при укорочении плит. Для обеспечения совместной работы плит и сохранения их взаимного положения в швы вводят стальные стержни — штыри, которые обеспечивают возможность изменения длины плит и пере­ дают с одной плиты на другую вертикальные нагрузки и частично изгибающие моменты (рис. 15.4). Свойства цементобетонных по­ крытий не меняются при колебаниях температуры в отличие от ас­ фальтобетонных, прочность и жесткость которых снижаются в жаркую погоду. При правильном подборе состава бетонной смеси и соблюдении технологических правил строительства износ цемен­ тобетонных покрытий незначителен, и они более долговечны, чем другие виды дорожных покрытий.

Строительство цементобетонных покрытий полностью механи­ зировано. Современные высокопроизводительные укладчики обе­

298

спечивают постройку бетонных покрытий со скоростью 800—1000 м в день. Однако при этом для обеспечения хорошего качества по­ крытия до ввода его в эксплуатацию требуется длительный и тща­ тельный уход за свежеуложенным бетоном, пока он не приобрета­ ет необходимую прочность.

Недостатком бетонных покрытий является наличие швов, через которые трудно предотвратить проникание влаги в основание. По­ сле нескольких лет эксплуатации в результате обламывания кро­ мок швов при переезде через швы начинают ощущаться толчки ко­ лес. Опыт эксплуатации бетонных покрытий при интенсивном дви­ жении тяжелых автомобилей показал, что, несмотря на высокую прочность самих бетонных плит, под них необходимы прочные ос­ нования. При непосредственной укладке бетона на грунт или на тонкую песчаную прослойку в грунте под плитами, упруго проги­ бающимися при проездах автомобилей, образуются полости. Плиты теряют контакт с грунтом, а затем в них появляются трещины. Поэтому на дорогах с высокой интенсивностью движения бетонные покрытия укладываю^ на прочные основания из щебня или грун­ та, укрепленного цементом или битумом. Поверх оснований, укреп­ ленных цементом, устраивают для снижения трения свыравнивающий слой» — тонкую прослойку из песка (3—5 см), обработанного органическими вяжущими.

299

15—20 лет к относительному уменьшению протяженности дорог с цементобетонными покрытиями по сравнению с дорогами, имею­ щими асфальтобетонные покрытия. Однако в последние годы в свя­ зи с временным ростом цен на нефтяные продукты и необходимо­ стью сбережения нефти как ценного невозобновляемого сырья для химической промышленности произошел пересмотр отношения к строительству бетонных покрытий.

Неоднократно делались попытки строительства сборных бетон­ ных покрытий. Бетонные плиты можно готовить на заводах забла­ говременно при строгом соблюдении технологических правил и ре­ жимов ухода за бетоном. Строительные работы сводятся к монта­ жу покрытия на подготовленном основании и их можно выполнять в течение всего года, открывая движение немедленно после уклад­ ки. В конструкции бетонных плит для временных дорог можно предусматривать возможность их перекладки и повторного исполь­ зования.

Современные конструкции сборных бетонных покрытий имеют крупные недостатки, которые препятствуют их широкому исполь­ зованию. Темпы укладки плит сборных покрытий низки. Стыки сборных плит не обеспечивают передачи усилий и моментов с пли­ ты на плиту. Через швы происходит выжимание разжиженного пес­ ка и подстилающего грунта, которое можно предотвратить только прокладкой под плитами полос геотекстиля. Трудно обеспечить ров­ ность сборного покрытия, необходимую для движения с высокими скоростями, изоляцию стыков для (предотвращения проникания во­ ды и избежать просадок плит в процессе эксплуатации. Не решен вопрос о конструкции плит и их укладке на криволинейных участ­ ках дороги, велик расход арматуры в связи с необходимостью обес­ печения прочности плит при монтаже и перевозке. Таким образом,, прогрессивная идея еще не доведена до возможности широкой реа­ лизации в строительстве и ставит большие задачи перед исследова­ телями. Основной областью использованиясборных бетонных покрытий пока еще являются временные подъездные пути на стро­ ительных площадках и дороги на лесозаготовках, а также дороги промышленного значения в местностях, где отсутствуют каменные материалы. Примером может служить строительство дорог в забо­ лоченных районах нефтяных и газовых месторождений Западной Сибири. Бетонные плиты сборных покрытий вначале укладывают непосредственно на песчаный грунт земляного полотна, а через год после прекращения осадки насыпей перекладывают, устраивая под ними основание, укрепленное цементом, и омоноличивают, свари­ вая выпущенные петли арматуры.

Покрытия из щебня и гравия, обработанные органическими вя­ жущими материалами, хорошо сопротивляются разрушающему дей­ ствию движения автомобилей благодаря прочному соединению ка­ менных частиц, вводимым вяжущим. Такие одежды водостойки-

300